Dokumen tersebut membahas tentang quantum dot, yaitu partikel semikonduktor nano berukuran yang dapat mengurung elektron secara tiga dimensi sehingga energinya menjadi terkuantisasi. Quantum dot dapat dibuat dengan mengurung elektron di antara dua lapisan isolator di dalam semikonduktor. Sifat kuantumnya memungkinkan aplikasi pada alat optik, bioteknologi, komunikasi, dan detektor sensitif.

1. QUANTUM DOT
Oleh : Suhufa Alfarisa
NIM.08306144005
Program Studi Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Negeri Yogyakarta
Januari 2012

2. Pendahuluan
• Pertama ditemukan pada awal tahun 1980-an oleh
Alexei Ekimo (Rusia), Louis E.Bruss (Colombia)
dan istilah quantum dot pertama kali dikenalkan
oleh Mark Reed (Fisikawan Amerika)
• Termasuk ke dalam atom buatan / artificial atom
• Atom Buatan : Partikel yang berukuran cukup kecil
dari logam atau semikonduktor yang muatan dan
energinya terkuantisasi seperti atom sebenarnya
serta memiliki muatan inti efektif yang dapat
dikontrol dengan elektroda logam ( Marc
A.Kastner, 1993 )

3.  All-metal Artificial atom
Partikelnya dipisahkan dari leadnya dengan
isolator tipis, dimana elektron harus menerobos /
menembus untuk bisa berpindah dari satu sisi ke sisi
lain.
Gambar 1a. All-metal artificial atom, warna biru merupakan
logam dan putih isolator

4.  Controlled Barrier - Atoms / Atom Perintang -
Terkontrol
Gambar1b. Controlled-barrier atom. Warna biru merupakan
logam, putih insulator dan merah semikonduktor
 Pengurungan elektron dengan dipasang
medan listrik pada Gallium Arsenide (GaAs)
 Memiliki gerbang logam di bagian dasarnya
dengan isolator (AlGaAs) diatasnya

5.  Atom buatan yang lebih simpel ; Atom 2-Probe /
Quantum Dot
Gambar 1c. Atom 2-probe / “quantum dot”
 Elektron dalam lapisan GaAs diapit antara 2
lapisan isolator AlGaAs.
 Satu atau kedua isolator ini bertindak sebagai
terowongan perintang
 Jika kedua perintang tipis, elektron dapat
menerobos perintang

6. APA ITU QUANTUM DOT?
 Elektron tunggal yang terjebak dalam atom ( Matt
Kennedy,2008 )
 „Tetesan‟ muatan buatan-manusia yang bisa berisi
apa saja dari sebuah elektron tunggal hingga
beberapa ribu elektron, dengan range dimensinya
dari nanometer – beberapa mikro ( L. Kowenhoven &
Charles Marcus, 1998 )
 Pengungkungan elektron ke segala arah dalam
ruang hingga nol dimensi ( Wahyu Tri
Cahyanto, dkk, 2006 )
 Material semikonduktor buatan berukuran nano yang
membatasi gerak elektron dalam ruang dengan
spektrum energi diskret

7. UKURAN QUANTUM DOT

8.  Mengapa membuat quantum dot?
 Bagaimana membuat quantum dot?
“Mengurung” elektron dalam daerah yang kecil :
• Menyelubungi partikel logam dengan insulator
• Menggunakan medan listrik (di dalam
semikonduktor)
• Fabrikasi struktur yang sangat kecil ; tekhnik
litografi elektron dan sinar x
• Fabrikasi QD biasanya dilakukan dengan
membatasi gas elektron 2 dimensi dalam
semikonduktor heterostruktur (contoh:GaAs
&AlGaAs) secara lateral dengan gerbang
elektrostatik sangat kecil

9.  Lapisan pertama adalah lapisan GaAs dengan dop
silikon. Lapisan ke-2, perintang AlGaAs tipis
(10nm). Di atas lapisan ke-2 ada sumur kuantum
GaAs. Di atas sumur ada perintang ALGaAs yang
cukup tebal , dan di bagian atas kristal, kromium
diendapkan yang disebut sebagai „gerbang‟.
Proses sampel tambahan di atas permukaan
sampel digunakan untuk membuat gerbang yang
secara lateral mengurung elektron di sumur
kuantum bagian bawah dan membentuk quantum
dot

10.  Salah satu sifat quantum dot, terobosan elektron : efek
kuantum yang memungkinkan elektron untuk bisa
melewati potensial perintang yang tidak bisa dilewati
secara klasik
 Jika terobosan lemah, contoh ketika potensial
perintang cukup tinggi, jumlah elektron dalam dot =
N, bilangan bulat terdefinisi.
 elektron dan hole di dalam quantum dot terkurung dan
terbatas geraknya dalam arah tiga dimensi sehingga
tingkat-tingkat energinya bernilai diskrit
 Energi tambahan yang dibutuhkan untuk
menambahkan 1 elektron ke dot dikenal sebagai
“Blokade Coulomb” yang besarnya =

11.  Elektron dapat menerobos perintang jika energinya
 Hole dapat menerobos jika energinya
 Energi tersebut bisa diubah dengan mengubah
tegangan gerbang , sehingga energi elektrostatik
dari muatan Q pada partikel adalah :
(1)
suku pertama : gaya tarik elektrostatik dot dengan gerbang positif
suku kedua : energi pengisian muatan (charging energy) karena
tolakan elektron dalam dot
 Dengan memasang tegangan negatif pada
gerbang, diameter dot bisa dikecilkan secara
bertahap, mengurangi jumlah elektron dalam dot
satu per satu.

12.  Model Interaksi Konstan :
 mengasumsikan bahwa interaksi coulomb antara
elektron-elektron dalam dot dan dengan lingkungan
dijelaskan oleh kapasitansi dot, C.
 Spektrum energi diskret digambarkan oleh jumlah
elektron dalam dot secara independen.
 Dalam model ini, Energi tambahan diberikan oleh
 Mengapa dibutuhkan energi tambahan?
 Gaya tolak elektron
 Prinsip larangan Pauli

13. • Untuk mengukur energi yang dibutuhkan untuk
menambah atau mengurangi elektron ke dalam dot
dilakukan dengan mengukur arus yang mengalir
dengan memvariasi tegangan gerbang
Gambar 4. Arus yang mengalir
melalui quantum dot pada suhu
0,1 K diukur ketika tegangan
gerbang divariasi. a) Puncak
pertama menandakan energi
saat elektron pertama masuk ke
dalam dot. b) penambahan
elektron tunggal ke dalam dot
bisa digambarkan dalam orbit
melingkar. Kulit pertama bisa
mengandung 2 elektron, kedua
bisa mengandung 4 elektron
dan seterusnya.

14.  Keadaan Eksitasi dalam Quantum Dot
Gambar 5. Diagram energi untuk kasus ketika 2
elektron terjebak dalam quantum dot. Ketika
tegangan rendah, elektron hanya bisa
menerobos hingga keadaan elektron ke-3 (garis
lurus). Tetapi pada tegangan lebih
besar, elektron ke-3 juga bisa menerobos ke
keadaan eksitasi selanjutnya (garis putus-putus)

15. KUANTISASI ENERGI
 Spektrum energi diskrit ketika kita menambahkan
elektron
 Spektrum level energi bisa diukur secara langsung
dengan mengamati arus terobosan dengan Vg
tetap sebagai fungsi tegangan Vds antara drain dan
source
 Level fermi dalam source meningkat sebanding
dengan Vds drain
 Arus mengalir ketika Energi fermi dari source di
atas level energi terkuantisasi pertama
 Kita mengukur level energi dengan mengukur
tegangan dimana arus meningkat atau tegangan
dimana ada puncak dari turunan arus, dI/dVds

16.  Titik degenerasi muatan adalah nilai Vg dimana
satu dari level energi atom buatan terdegenerasi
dengan energi fermi dalam lead (source/drain)
ketika Vds = 0, karena hanya dengan itu muatan
atom berfluktuasi

17. Gambar 6. Level energi
diskrit dalam atom buatan
dapat dideteksi dengan
memvariasi tegangan
source-drain . Ketika Vds
yang cukup besar
dipasang, elektron melewati
energi gap dan menerobos
dari sumber ke atom buatan.
a) Tiap waktu keadaan
diskret baru dapat
diakses, arus meningkat dan
terdapat puncak dalam
dI/dVds. Daerah blokir
Coulomb pada -0,5 – 0,3 mV
b) Plotting posisi puncak
pada beberapa Vg
memberikan level spektrum.

18. APLIKASI
 Alat-alat optik berbasis semikonduktor seperti
LED, Laser Diode, Solar Cell
 Karena ukurannya mendekati Angstrom, mudah
diletakkan pada elemen-elemen biologi seperti
protein, DNA atau sel
 Karena ukurannya kecil dan mendekati atom, bisa
digunakan dalam bidang komunikasi dan transfer
informasi
 Aplikasi lainnya seperti elektrometer sensitif
 Kebanyakan aplikasi menarik lainnya melibatkan
peralatan dengan memasangkan beberapa atom
buatan bersama untuk membentuk molekul buatan atau
dipasangkan membentuk padatan buatan karena
pasangan antara atom - atom buatan bisa dikontrol

19. Sumber :
Leo Kouwenhoven and Charles Marcus, Quantum
Dots, 1998
Marc A. Kastner, Artificial Atoms, 1993
Matt Kennedy, Quantum Dots Future
Technology, 2008
R.C.Ashoori, Electrons in Artificial Atoms, 1996
Wahyu Tri Cahyanto,dkk, Telaah Teoritis Atom
Buatan, 2006